MOSFET Current Mirror 설계 및 시뮬레이션

문서 내 토픽

1. 단일 Current Mirror 설계

N-Type MOSFET 2N7000을 이용하여 Reference 전류가 흐르는 단일 Current Mirror를 설계한다. Gate Threshold Voltage 2.1V와 On-Stage Drain Current 600mA를 이용하여 (1/2)gm을 구하고, 10mA 전류원 설계를 위해 VGS와 저항값을 계산한다. MOSFET이 Saturation 영역에서 동작하기 위한 조건은 VDS ≥ VGS - VT이며, VL의 최대값은 약 2.34V이다. OrCAD 설계 및 PSPICE 시뮬레이션을 통해 회로 동작을 검증한다.
2. Cascode Current Mirror 설계

단일 Current Mirror의 출력저항을 개선하기 위해 Cascode 구조를 적용한다. M3와 M4 MOSFET을 추가하여 출력저항을 증가시킨다. 동일한 2N7000 소자를 사용하며 VGS 값은 2.41V를 만족해야 한다. 500Ω 저항으로 설계하고 OrCAD 회로도 작성 후 PSPICE 시뮬레이션을 수행하여 10.25mA의 전류원 특성을 확인한다.
3. MOSFET Saturation 영역 동작

전류원으로 동작하기 위해 MOSFET은 Saturation 영역에서 작동해야 한다. Saturation 조건은 VDS ≥ VGS - VT를 만족해야 하며, Channel Length Modulation을 고려하지 않을 경우 출력저항은 무한대로 간주된다. VL 값이 감소해도 VDS가 VGS - VT보다 크면 Saturation 영역 동작에 영향을 미치지 않는다.
4. 출력저항 측정 및 계산

Current Mirror의 출력저항 Ro는 VL을 고정하고 VD와 ID의 관계를 통해 구한다. 관계식 ID = (1/2)gm(VGS - VT)²에서 VGS가 일정하면 ID는 상수이므로, Ro = ΔVD/ΔID로 계산할 수 있다. 실험 조건에서 VL을 고정하여 출력저항을 측정한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 주제1 단일 Current Mirror 설계

단일 Current Mirror는 아날로그 회로 설계의 기본 구성 요소로서 매우 중요합니다. 두 개의 동일한 MOSFET을 이용하여 입력 전류를 출력 전류로 복제하는 방식으로, 간단한 구조에도 불구하고 높은 정확도를 제공합니다. 다만 출력저항이 상대적으로 낮다는 한계가 있어 고임피던스 응용에는 제한적입니다. 온도 변화와 공정 편차에 따른 매칭 특성이 중요하며, 레이아웃 설계 시 대칭성을 유지하는 것이 성능 향상의 핵심입니다. 전류 복제 정확도는 채널 길이 변조 효과에 의해 영향을 받으므로, 이를 보완하기 위한 추가 설계 기법의 필요성을 인식하는 것이 중요합니다.
2. 주제2 Cascode Current Mirror 설계

Cascode Current Mirror는 단일 Current Mirror의 낮은 출력저항 문제를 효과적으로 해결하는 우수한 설계 기법입니다. 추가 MOSFET을 직렬로 연결하여 출력저항을 크게 증가시킬 수 있으며, 이는 고이득 증폭기 설계에 필수적입니다. 다만 더 많은 전압 헤드룸을 필요로 하므로 저전압 응용에서는 주의가 필요합니다. 바이어싱 조건이 복잡해지고 설계 난이도가 증가하지만, 얻을 수 있는 성능 향상은 충분히 가치 있습니다. 특히 고주파 응용에서 안정성과 대역폭 특성이 우수하여 현대 아날로그 IC 설계에서 광범위하게 활용되고 있습니다.
3. 주제3 MOSFET Saturation 영역 동작

MOSFET의 Saturation 영역은 아날로그 회로 설계에서 가장 중요한 동작 영역입니다. 이 영역에서 드레인 전류는 게이트-소스 전압에만 의존하고 드레인-소스 전압에는 거의 무관하여, 전류원으로서의 특성을 제공합니다. 채널 길이 변조 효과로 인한 출력저항의 유한성은 설계 시 반드시 고려해야 할 요소입니다. Saturation 영역의 경계를 정확히 파악하고 회로 동작점을 적절히 설정하는 것이 회로 성능을 좌우합니다. 온도와 공정 변수에 따른 Saturation 특성의 변화를 이해하는 것은 견고한 회로 설계의 기초입니다.
4. 주제4 출력저항 측정 및 계산

출력저항은 Current Mirror와 같은 전류원 회로의 성능을 평가하는 핵심 지표입니다. 이론적 계산에서는 채널 길이 변조 파라미터를 이용하여 출력저항을 예측할 수 있으며, 단일 Current Mirror의 경우 1/gm 수준, Cascode 구조의 경우 훨씬 높은 값을 얻습니다. 실제 측정에서는 작은 신호 주입 방식이나 DC 스윕 방식을 통해 출력저항을 정확히 결정할 수 있습니다. 시뮬레이션과 실제 측정 결과의 차이를 분석하는 것은 설계 모델의 정확성을 검증하는 중요한 과정입니다. 출력저항의 주파수 의존성도 고려하여 광대역 응용에서의 성능을 평가해야 합니다.

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